陶瓷纖維具有耐高溫、熱穩定性好、熱導率低、熱容小和耐機械震動等優點，將陶瓷纖維應用于連續加熱的高溫爐，可實現爐體結構輕型化、大型化，有效節約能源，是理想的節能增效材料。此外陶瓷纖維還具有絕緣、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便，因此在冶金、建材、石油、化工、船舶、電力、航天等領域應用廣泛。

圖1 氧化鋯纖維和氧化鋯纖維掃描圖[3]

根據纖維的微觀結構形態，陶瓷纖維可以分為非晶質纖維和晶質纖維。非晶質類陶瓷纖維主要是由玻璃態物質構成，而晶質陶瓷纖維一般為多晶態微觀結構。人們最早開始關注的是氧化鋁纖維和莫來石纖維，后來發現氧化鋯纖維具有比硅鋁質陶瓷纖維更為優越的性能熔點高（2600℃）、抗氧化、耐腐蝕、熱傳導率低，在大氣中，2500℃時仍保持完整的纖維形態，因此，氧化鋯纖維及制品也被認為是極好的陶瓷纖維材料，用途廣泛。

1. 氧化鋯的基本性質及晶型轉變

氧化鋯（ZrO₂）是高熔點的金屬氧化物，相對分子量為123.22，具有很高的熔點（2650℃）和化學惰性，氧化鋯不溶于水、硫酸、鹽酸和硝酸，加熱時微溶于氫氟酸和濃硫酸。因此可以用作為耐火材料。

純氧化鋯有三種同質異形體：單斜相氧化鋯（m-ZrO₂）、四方相氧化鋯（t-ZrO₂）、立方相氧化鋯（c-ZrO₂）。三種晶型的氧化鋯密度分別為5.65g/cm³，6.10g/cm³和6.27g/cm³。這三種晶型在一定條件下，可以發生相互轉變。四方相ZrO₂與單斜相ZrO₂之間的相變稱為馬氏體相變，相變過程中發生的體積變化使得氧化鋯具有增韌效果。氧化鋯的三種晶型及轉變如下所示：

圖2 氧化鋯的三種晶型及轉變[3]

2. 氧化鋯纖維的制備

氧化鋯纖維具有非常優良的耐高溫性能，世界各國都對氧化鋯纖維的研究與開發給予了極大的熱情，并研究出各種制備方法。但是由于氧化鋯的高熔點和熔體的低粘度特性，不能采用像硅酸鋁及高鋁陶瓷纖維那樣的熔融制絲法，而只能采用前驅體法來制造，主要有載體法、無機鹽法和溶膠凝膠法。

（一）載體法

載體法是將含鋯的無機鹽（如硝酸鋯、氧氯化鋯）水溶液通過浸漬進入人造絲等有機纖維或炭纖維等無機纖維之后，將這種“荷重前驅體纖維”置于特定的氣氛中進行熱解，待至碳化氫、碳部分分解后再進行熱處理（燒成），使載體纖維充分氧化，鋯鹽轉化成氧化鋯，最終獲得保持原纖維微觀結構的氧化鋯纖維。

圖3 載體法制備氧化鋯纖維工藝流程圖[1]

（二）無機鹽法

無機鹽法是以水溶性鋯鹽為原料，加入一定量的水溶性高分子有機物制成混合液，過濾后加入穩定劑，加熱濃縮到適當的粘度（100-350Pa），在特定的濕度和溫度條件下纖維化，纖維化可采用噴絲、拉絲和旋轉甩絲等方法，原纖維在一定溫度下干燥燒成后得到氧化鋯纖維。

圖4 無機鹽法制備氧化鋯纖維工藝流程圖[1]

（三）溶膠凝膠法

該法是以醋酸鋯（Zr(CH₃COO)₂）或鋯的醇鹽（如Zr(OCH₅)₄等）為原料，通過加水分解、蒸發、縮聚等制成一定粘度的氧化鋯溶膠紡絲液，采用與無機鹽法相同的纖維化方法制成凝膠纖維，干燥、熱處理制成氧化鋯纖維。

這種方法使一種比較可行的制備連續氧化鋯纖維的方法，但是設備要求高，拉絲過程控制比較困難，生產成本高。

3. 氧化鋯纖維的性能

（一）氧化鋯纖維的物理性能

表1 氧化鋯纖維的物理性能[1]

（二）氧化鋯纖維的高溫性能

氧化鋯纖維具有很好的高溫性能，在溫度高達2480℃時仍可保持其纖維形態，1400℃左右仍具有可繞性。氧化鋯纖維使用溫度可達氧化鋁的熔點以上，最高可達2200℃，氧化鋯纖維材料不僅適用于氧化氣氛，而且可在還原氣氛和真空下使用。氧化鋯纖維與其它陶瓷纖維（隔熱用）的高溫性能比較見表2。

表2氧化鋯纖維與其它陶瓷纖維的高溫性能比較[1]

（三）氧化鋯纖維的隔熱性能

氧化鋯是公認具有最低導熱系數的陶瓷材料之一，氧化鋯纖維的導熱性如同大多數陶瓷纖維一樣，主要取決其松散性，氧化鋯纖維的低密度提供了最有效的隔熱性能。幾種不同陶瓷纖維的導熱系數見表3。

表3 幾種不同陶瓷纖維的導熱系數[1]

4. 氧化鋯纖維的制品

（一）氧化鋯纖維氈

氧化鋯纖維氈是用有機短纖維經針刺制成有機纖維氈為前驅體，浸漬鋯鹽溶液，經熱處理而得到的具有原有機纖維氈形貌的氧化鋯纖維氈。氧化鋯纖維氈主要用于晶體生長爐的隔熱，在晶體生長爐中的使用溫度高達1920℃，仍保持纖維氈形態，起到了極好的隔熱作用。

圖5 氧化鋯纖維氈

（二）剛性氧化鋯纖維制品

剛性氧化鋯纖維制品是用氧化鋯纖維為原料，經短切并加入低溫、高溫結合劑制成水性懸浮液，最后經成型燒成而成。制品有氧化鋯纖維板、筒、罩、異型制品等，可機械加工。其制備工藝流程如下：

剛性氧化鋯纖維制品可用作航天器的前錐體、噴氣飛機、導彈等的絕熱材料和燒蝕材料，還可用于原子能、磁流體、熱離子、感應爐、微波燒結等。

圖6 氧化鋯纖維板

（三）氧化鋯纖維紙

氧化鋯纖維紙是用氧化鋯纖維經分散，加入粘接劑，必要時可加入其他纖維或晶須，經抄紙工藝而制成。氧化鋯纖維紙主要用于堿性電池的隔膜，這是因為氧化鋯纖維具有優異的耐腐蝕性能和耐高溫性能。使用氧化鋯纖維紙作堿性電池隔膜比常用的石棉紙、玻纖紙及尼龍隔膜性能優越，壽命長。

圖7 氧化鋯纖維紙

（四）氧化鋯纖維布

氧化鋯纖維布是用特種有機纖維，經設計編織成具有特殊結構的有機纖維布做前驅體，浸漬穩定化的錯鹽溶液，經過與制備氧化鋯纖維相同的工藝，最后在特定氣氛及熱處理工藝條件下鍛燒而成。它具有普通布的外觀特點，平整、柔軟，具有一定的強度。

圖8 氧化鋯纖維布

參考文獻

[1] 胡利明. 氧化鋯纖維布的研究[D]. 武漢理工大學, 2002.

[2] 何順愛. 氧化鋯纖維和制品的制備及燒結研究[D]. 中國建筑材料科學研究總院, 2008.

[3] 劉貴雙. 氧化鋯纖維及纖維板的制備與性能研究[D]. 南京理工大學, 2012.

作者：L-things